（轮机工程专业论文）高速静压气体轴承转子系统的特性研究.pdf

一，y f， y 1 8 9 i 1 6 7 2 3 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - - s p e e da e r o s t a t i c b e a r i n g - r o t o rs y s t e m d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g y uh e c h u n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o w a n g z u w e n a s s o c i a t i o np r o f e s s o rm aw e n q i m a r c h2 0 1 1 t | 气， ， - 卜 山 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士学位论文竺直建登压氢佳独丞：整王丕统鲍挂丝硒塞= = 。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 韵舡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密团( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：t 、- j 一 i 惦 ， 譬 r ， 呕 i 囊 创新点摘要 创新点摘要 1 提出了一种采用旋转坐标系与静态计算网格相结合研究轴承动态特性的计 算方法。 2 提出了一种基于c f d 计算结果的气体轴承转子系统的准动态耦合计算方 法，充分考虑了动压效应、转子位移等对系统特性的影响。 3 提出了一种新型切向非均匀孔径供气静压气体轴承，通过合理控制节流孔 直径、供气参数等，提高了轴承一转子系统的稳定性。 4 提出了一种基于静压气体轴承原理的高速轴承转子系统的非接触式加载方 法，实现了高速转子的动静态加载。 p - 一 崔 _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ o _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ， 、 0 i 唾 精密测量仪器、高速转子等设备上具有良好的适用性。当前，随着转子速度的不 断提高，一方面高转速带来的动压效应对轴承的动静态特性影响更加突出，雷诺 方程无法满足流场精确计算的需求；另一方面高转速导致的诸多非线性因素使转 子动力学的线性理论无法满足高速气体轴承转子系统的研究需求。 本文以提高高速静压气体轴承转子系统的稳定性为目的，针对静压气体轴承 的流场计算、静压气体轴承的动静态特性分析、气体轴承转子系统特性的耦合研 究、系统特性的实验测试等方面开展了系统深入的研究，主要研究内容包括： ， 分析不同流场数值计算方法对静压气体轴承的适用性。以静压气体止推轴承 为研究对象，采用基于雷诺方程的有限差分法及基于n s 方程的有限体积法中的 层流模型、湍流模型及二者混合等四种方法对静压气体轴承的流场进行计算。雷 诺方程和湍流模型无法满足流场精确计算的需求；选择基于n s 方程的层流模型 作为高速静压气体轴承研究中的计算方法。 采用三维流场计算方法研究轴承结构及工况对静压径向气体轴承动静态特性 的影响。采用分区划分、局部加密的三维建模方法；通过旋转坐标系与静态网格 相结合的方法实现静压气体轴承动态特性的三维计算。计算结果表明：高速状态 下，动压效应提高了轴承的主承载能力及刚度，偏心率越大，动压效应越明显； 随着转速的增高，主刚度增大，主阻尼减小，交叉刚度和交叉阻尼的变化则因偏 心率的不同而不同；随着供气压力的提高，主刚度增大，交叉刚度则在大偏心范 围内随供气压力提高而增大，阻尼的变化则因转速和偏心率的不同而不同；高转 速、大偏心状态下，受动压效应的影响，环面节流静压气体轴承的主刚度和交叉 阻尼大于小孔节流，而交叉刚度和主阻尼则小于小孔节流；随着供气孔个数的增 加，主阻尼增大，安装方式对轴承特性的影响可以忽略；切向供气提高了轴承的 主阻尼，减小了交叉刚度，有利于提高系统的稳定性，但耗气量较大。 中文摘要 提出一种基于c f d 计算结果的静压气体轴承一转子系统特性的耦合研究方法。 通过对不同工况下气膜力的c f d 计算结果的拟合，得到气膜力随转速和偏心率变 化的非线性关系式；将所得的拟合关系式与转子动力学方程进行耦合求解，实现 流场精确计算结果与转子动力学方程的耦合，充分考虑动压效应及转子位移对系 统特性的影响。气膜力的非线性使系统中不平衡量的改变和响应幅值的增加不是 线性变化关系。 设计并搭建高速轴承转子系统的测试系统，设计新型切向非均匀孔径供气和 新型垂直分区非均匀压力供气的静压气体轴承，并对不同轴承结构和工作状态下 的系统特性进行测试对比分析。提出一种基于静压气体轴承原理的高速轴承转子 系统非接触式加载方法。所提出的基于c f d 计算结果的系统特性的耦合研究方法 具有较高的计算精度；与垂直供气相比，切向供气轴承能够减小转子的跳动幅值， 定性地证明动态特性理论分析的正确性；新型切向非均匀孔径供气轴承可以有效 地提高系统的稳定性；新型垂直分区非均匀压力供气轴承能够减小一阶临界转速 附近的跳动幅值，但其后出现了局部增大现象；实验工况下，加载会增加额外的 系统振动，且会增大各阶临界转速的跳动幅值；随着供气压力提高，垂直均匀供 气轴承转子系统的一阶临界转速附近的跳动幅值减小，但其后出现了局部增大现 象；对于切向供气轴承，供气压力的提高可以提高系统的稳定性。 关键词：静压气体轴承一转子；动压效应：刚度；阻尼；流固耦合 ， u 0 、 气 哥 童 英文摘要 a b s t r a c t a e r o s t a t i cb e a r i n g sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nh i g h p r e c i s i o nm a c h i n et o o l s ， h i g h - p r e c i s i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，h i g h - s p e e dr o t o r sa n ds oo nb e c a u s eo ft h e i r a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h s p e e d , h i g h p r e c i s i o n ，a n ds m a l lp o w e rd i s s i p a t i o n n o ww i t h t h ei n c r e a s e so f r o t a t i n gs p e e d , v e r a lp r o b l e m sa r i s e o nt h eo n eh a n d , t h ei n f l u e n c eo f t h ed y n a m i ce f f e c tc a u s e , db yh i g hr o t a t i n gs p e e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e mb e c o m e s m o r ep r o m i n e n t , t h ec a l c u l a t i o nb a s e do nr e y n o l d se q u a t i o nc o u l dn ol o n g e rs a t i s f yt h e c a l c u l a t i o na c c u r a c yr e q u i r e m e n t o nt h eo t h e rh a n d , t h en o n l i n e a rf a c t o r sc a u s e db y l l i g hr o t a t i n gs p e e dm a k e st h el i n e a rt h e o r yo fr o t o rd y n a m i c su n a b l et os a t i s f yt h e r e s e a r c hr e q u i r e m e n to fh i g h s p e e dg a sb e a r i n g - r o t o rs y s t e m i nt h i s p a p e r , t h ei m p r o v e m e n to fs y s t e ms t a b i l i t y f o rh i g h - s p e e da e r o s t a t i c b e a r i n g - r o t o rs y s t e mi s t a k e na st h er e s e a r c hp u r p o s e ，t h es y s t e m a t i ca n di n d e p t h r e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i o no fa e r o s t a t i cb e a r i n gf l o w ，t h ea n a l y s i so fa c r o s t a t i cb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o u p l e dr e s e a r c ho ft h eg a sb e a r i n g - r o t o rs y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ee x p e r i m e n to ft h es y s t e m t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： t h ea p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d so na e r o s t a t i cb e a r i n g si s a n a l y z e d t h et h r u s ta e r o s t a t i cb e a r i n g sa r ec h o s ea sas u b j e c t , t h ef i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o db a s e do nr e y n o l d se q u a t i o na n dt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) b a s e do nn s e q u a t i o n sa r eb o t hu s e d f o rf v m ，t h el a m i n a rm o d e l ，t h et u r b u l e n tm o d e la n dt h e m i x t u r eo ft h e ma r eu s e d t h ef o u rt y p e so fc a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d 谢t h e x p e r i m e n tr e s u l t sa n da n a l y z e d t h er e y n o l d se q u a t i o na n dt h et u r b u l e n tm o d e lo f f v ma r en o ta b l et os a t i s f yt h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yr e q u i r e m e n t b a s e do nt h e c o m p a r i s o n so fc a l c u l a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c y , t h el a m i n a rm o d e lo ff v m i sc h o s e f o rt h es u b s e q u e n ts t u d y t h eb o u n d a r yl a y e rs e p a r a t i o n , c h a n g eo ft h ef l o ws t a t ef r o m t u r b u l e n tt ol a m i n a ra n di n h e r eo fv i s c o s i t ya r eu s e dt oe x p l a i nt h ep r e s s u r er e c o v e r y a f t e rt h ep r e s s u r ed e p r e s s i o ni nt h ef l o wf i e l d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i a la e r o s t a t i cb e a r i n g so fd i f f e r e n t s t r u c t u r eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa r es t u d i e dw i mt h et h r e e d i m e n s i o n c a l c u l a t i o nm e t h o d t h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e l so fr a d i a la e r o s t a t i cb e a r i n g sa r eb u i l t ， 英文摘要 t h em o d e l1 sd i v i d e di n t od i f f e r e n td i s t r i c t s , t h ec a l c u l a t i o n 鲥d sa r er e f i n e di ns o m e d i s t r i c t s t h es t a t i cg i r d sc o m b i n e dw i lt h er o t a t i n gc o o r d i n a t ea r eu s e df o rd y n a m i c c a l c u l a t i o n t h ed y n a m i ce f f e c ti m p r o v e st h em a i nl o a dc a p a c i t ya n dt h em a i ns t i f f n e s s u n d e rh i g h s p e l lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h eg r e a t e rt h ee c c e n t r i c i t y , t h em o r eo b v i o u s d y n a m i ce f f e c tp r e s s u r e w i t ht h ei n c r e a s eo fr o t a t i n gs p e e d ，t h em a i ns t i f f n e s s i n c r e a s e s ，t h em a i nd a m p i n gd e c r e a s e ，a n dt h ec h a n g e so ft h ec r o s ss t i f f n e s sa n dt h e g l o s sd a m p i n gd e p e n do nt h ee c c e n t r i c i t y w i t ht h ei n c r e a s eo fg a ss u p p l yp r e s s u r e ，t h e m a i ns t i f f n e s si n c r e a s e s ，t h ec r o s ss t i f f n e s si n c r e a s e sw i t h i nt h eb i g g e re c c e n t r i c i t y r a n g e ，a n dt h ec h a n g e so ft h ed a m p i n gd e p e n d so nt h ee c c e n t r i c i t ya n dt h er o t a t i n g s p e e d u n d e rh i g h - s p e e da n db i ge c c e n t r i c i t yw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ei n f l u e n c eo f d y n a m i ce f f e c to nt h eo r i f i c e - c o m p e n s a t e da e r o s t a t i cb e a i n g si sg r e a t e rt h a nt h a to nt h e o r i f i c e r e s t r i c t e da e r o s t a t i cb e a i n g s ，t h em a i ns t i f f n e s sa n dt h ec r o s sd a m p i n go ft h e o r i f i c e - c o m p e n s a t e da r eb i g g e rt h a nt h e mo f t h eo r i f i c e - r e s t r i c t e d , b u tt h ec r o s ss t i f f n e s s a n dt h em a i nd a m p i n go ft h eo r i f i c e c o m p e n s a t e da r es m a l l e r w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e n u m b e ro fg a ss u p p l yh o l e s ，t h em a i nd a m p i n gi n c r e a s e sa n dt h ei n f l u e n c eo f i n s t a l l a t i o nt y p e so fb e a r i n g sc a nb ei g n o r e d t h et a n g e n t i a lg a ss u p p l yh o l e sc a n i m p r o v et h em a i nd a m p i n ga n dd e c r e a s e t h ec r o s ss t i f f n e s sw i t l lal a r g e g a s c o n s u m p t i o n , w h i c hi sh e l p f u lt ot h es y s t e ms t a b i l i t y t h ei n t e r a c t i o nm e t h o do fa e r o s t a t i cb e a r i n g - r o t o rs y s t e mb a s e do nt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sf r o mc f di sp r o p o s e d t h en o n l i n e a rf u n c t i o no fl o a dc a p a c i t yw i t hr o t a t i n g s p e e da n de c c e n t r i c i t yi so b t a i n e dt h r o u g hf i t t i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t su n d e rd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s t h en o n l i n e a rf u n c t i o ni su s e dt oc o u p l e 、析lt h er o t o rd y n a m i c e q u a t i o n , w h i c hr e a l i z e st h ec o u p l i n gb e t w e e nt h ea c c u r a t ef l o w c a l c u l a t i o na n dt h e r o t o rd y n a m i ce q u a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h ed y n a m i ce f f e c ta n dt h er o t o rd i s p l a c e m e n t o nt h es y s t e mi sf u l l yc o n s i d e r e di nt h i sm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h er e l a t i o nb e t w e e n t h ei m b a l a n c ea m o u n ta n dt h er e s p o n s em u l t i t u d ei sn o n l i n e a rc a u s e db yt h en o n l i n e a r g a sf i l mf o r c e t h eh i g h - s p e e db e a r i n g - r o t o re x p e r i m e n ts y s t e mi sb u i l t ，t h en e wt y p e so f a e r o s t a t i cb e a r i n g s 丽mt a n g e n t i a ln o n u n i f o r ms u p p l yh o l e sa n dr a d i a ln o n u n i f o r m ， - ， ， 、 、 0 j 4 t， 壶 英文摘要 d i s t r i c ts u p p l yp r e s s u r ea r ed e s i g n e d ，t h eb e a r i n g - r o t o rs y s t e m 、) i r i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e a e r o s t a t i cb e a r i n g s a r et e s tu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s o n en o n c o n t a c tl o a d e x e r t i n gm e t h o db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa e r o s t a t i cb e a i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hc a n e x e r t d y n a m i co rs t a t i cl o a do nh i g h s p e e dr o t o r s t h ec o m p a s s i o nb e t w e e ne x p e r i m e n ta n d t h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o w st h ep r o p o s e df l u i d s o l i di n t e r a c t i o nm e t h o dh a sah i g h c a l c u l a t i o na c c u r a c y c o m p a r e d 谢mt h er a d i a lg a ss u p p l yh o l e s ，t h et a n g e n t i a lg a s s u p p l yh o l e s c a l lr e d u c et h e a m p l i t u d eo ft h er o t o rr u n o u ：t w h i c h c e r t i f i e st h e c o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h en e wt y p eo f a e r o s t a t i cb e a r i n g sw i t ht a n g e n t i a ln o n u n i f o r ms u p p l yh o l e sc a ni m p r o v et h es y s t e m s t a b i l i t y t h en e wt y p eo fa e r o s t a t i cb e a r i n g sw i mr a d i a ln o n u n i f o r md i s 仃i c ts u p p l y p r e s s u r ec a nr e d u c et h ea m p l i t u d eo ft h er o t o rr u n o u tn e a rt h ef i r s to r d e rc r i t i c a ls p e e d , b u ta f t e rt h es p e e dt h ea m p l i t u d ei n c r e a s e s u n d e re x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，t h ee x e r t e d l o a dw i l li n c r e a s et h ev i b r a t i o no ft h es y s t e m ，a n di n c r e a s et h ea m p l i t u d eo ft h ec r i t i c a l s p e e d f o rt h ea e r o s t a t i cb e a r i n g s 谢也r a d i a lg a ss u p p l yh o l e s ，t h ea m p l i t u d eo ft h e r o t o rr u n o u tn e a rt h ef i r s to r d e rc r i t i c a ls p e e dc a l lb er e d u c e d 诮mt h ei n c r e a s eo f s u p p l yp r e s s u r e ，b u ta f t e rt h es p e e dt h ea m p l i t u d ei n c r e a s e s f o rt h ea e r o s t a t i cb e a r i n g s w i t hr a d i a lg a ss u p p l yh o l e s ，t h ei n c r e a s eo fs u p p l yp r e s s u r ec a ni m p r o v et h es y s t e m s t a b i l i t y k e yw o r d s ：a e r o s t a t i cb e a r i n g - r o t o r ；d y n a m i ce f f e c t ；s t i f f n e s s ；d a m p i n g ； f l u i d s o l i di n t e r a c t i o n 一 仆 ， ， 0 1 5 课题研究内容。1 5 第2 章静压气体轴承流场不同数值分析方法的适用性分析。1 7 2 1 静压气体轴承物理模型17 2 2 基于n s 方程的流场计算1 8 2 2 1 基本控制方程1 8 2 2 2s s tk 一模型1 9 2 2 3 动力粘性系数的选用2 0 2 2 4 计算模型建立及网格划分2 0 2 2 5 边界条件设定2 1 2 2 6 方程的计算及求解2 1 2 3 基于雷诺方程的流场计算2 2 ， 2 3 1 静压气体轴承二维雷诺方程2 2 2 3 2 迭代格式的构造2 3 2 3 3 方程离散。2 6 2 2 4c h e b y s h e v 加速超松弛法2 7 2 2 5 网格划分及边界条件设定2 8 2 2 6 方程求解2 9 2 5 不同计算方法的验证与分析3 0 2 5 1 压力分布测试3 0 2 5 2 不同计算方法的准确性对比分析3 1 2 5 3 不同计算方法的有效性对比分析3 3 2 5 4 不同计算方法的计算效率对比分析3 3 目录 2 6 基于精确计算结果的流场微观特性分析3 4 2 7 本章小结。3 7 第3 章高速径向静压气体轴承的动静态特性研究一3 9 3 1 径向静压气体轴承流场静态特性分析3 9 3 1 1 物理计算模型。3 9 3 1 2 模型简化及网格划分4 0 3 1 3 静态求解边界条件设定4 1 3 1 4 静态特性计算结果分析4 1 3 2 径向静压气体轴承流场动态特性分析。4 6 3 2 1 基于c f d 的气体流场的动特性研究概况4 6 3 2 2 基于c f d 的气体轴承流场动特性计算4 6 3 2 3 稳定性干扰能分析法4 9 3 2 4 动态特性计算结果分析4 9 3 3 高速状态下轴承结构对轴承特性的影响分析5 1 3 3 1 轴承节流方式对轴承特性的影响5 1 3 3 2 轴承安装方式对轴承特性的影响5 6 3 3 3 轴承供气孔个数对轴承特性的影响6 0 3 3 4 供气孔角度对轴承特性的影响6 2 3 4 轴承供气压力对动态特性的影响6 8 3 4 1 垂直供气时供气压力对轴承动态特性影响6 8 3 4 2 切向供气时供气压力对轴承动态特性影响7 1 3 5 本章小结7 3 第4 章高速静压气体轴承转子系统动态特性的耦合分析7 5 4 1 气体轴承转子系统特性的耦合原理7 5 4 2 基于c f d 计算结果的耦合原理7 6 4 3 静压气体轴承非线性气膜力模型的建立7 8 4 4 转子系统动力学建模及求解。8 3 4 4 1 转子系统动力学建模8 3 4 4 2 转子系统动力学特性数值方法分析8 4 4 5 静压气体轴承转子系统耦合动力学特性分析8 6 4 6 本章小结。8 7 第5 章高速静压气体轴承转子系统的实验系统设计：8 9 5 1 气体轴承转子系统实验系统的总体设计8 9 一 慵 一 “ 、 0 ， 目录 5 2 气体轴承转子实验台架设计9 0 5 2 1 分体式实验台的设计9 0 5 2 2 一体式实验台的设计9 2 5 2 3 新型非均匀供气静压气体轴承的结构设计9 4 5 3 非接触式动静态加载测试系统的设计9 5 5 3 数据测试及分析9 7 5 3 1 转子轨迹的测量9 7 5 3 2 转速的测量9 8 5 3 3 振动的测量9 9 5 3 4 气体压力及拉压力传感器9 9 5 3 5 数据采集与处理9 9 5 4 转子驱动与转速调节1 0 0 5 4 1 转予驱动1 0 0 5 4 2 转速调节10 0 5 5 本章小结1 0 1 第6 章高速静压气体轴承一转子系统的实验研究1 0 2 6 1 计算结果与实验结果对比分析1 0 2 6 2 轴承结构对系统特性的影响实验分析1 0 3 6 2 1 节流方式对系统特性的影响分析1 0 3 6 2 2 供气孔角度对系统特性的影响分析。1 0 4 6 3 新型非均匀供气轴承转子系统的实验分析1 0 5 6 3 1 新型切向非均匀孔径供气轴承转子系统的实验分析1 0 5 6 3 2 新型垂直分区非均匀压力供气轴承转子系统的实验分析1 0 8 6 4 工作状态对系统特性的影响分析1 0 9 6 4 1 转子加载对系统特性的影响分析1 0 9 6 4 2 轴承供气压力对系统特性的影响分析1 1 0 6 5 本章小结11 3 第7 章结论与展望11 4 7 1 主要结论1 1 4 7 2 未来研究工作的展望：1 1 5 参考文献_ 1 1 6 攻读学位期间公开发表论文1 2 4 致谢12 6 一， 蝻 p - 匆 _ 缸 高速静压气体轴承转子系统的特性研究 第1 章绪论 1 1 课题研究意义及研究目的 当前，随着我国以航空航天技术、微电子技术等为代表的现代化工业的飞速 发展，工业制造对加工设备和测量仪器的精度要求也越来越高，因此发展超精密 加工和测试技术成为了我国高新技术发展领域的一个重要组成部分。在超精密加 工领域，无论是精密加工设备，还是精密测量仪器，都对其配套的机械部分从高 精度、高速度、高分辨率、无污染及低成本等方面提出了严格要求。其中高速精 密数控加工技术是实现优质、高效、低耗、柔性加工的一项先进制造技术，是机 械制造业发展的总趋势。在国外，先进制造及其装备技术目前已进入应用阶段， 特别是在航空航天业、汽车和模具制造业等领域己得到了广泛的应用，并取得了 巨大的经济效益。 。 高速精密机床的核心技术是主轴，目前，该类主轴的支撑轴承有陶瓷滚动轴 承、磁力轴承、静压或动静压混合的滑动轴承等三种基本类型。陶瓷材料由于具 有密度小，热膨胀系数小、弹性模量大、刚度高等特点，所以采用陶瓷滚动轴承 的内置式电主轴技术已在高速铣床和加工中心中得到了广泛应用，并取得了良好 的效果。但是滚珠在高速运动时，产生的极大离心力和陀螺力矩所造成的动载荷 常常超过机床的切削负荷；同时在洁净加工场合，如晶圆加工，陶瓷滚动轴承会 造成一定污染。磁力轴承高速性能很好，但由于控制系统复杂，加上价格昂贵， 存在磁污染，目前还难以推广。 滑动轴承与滚动轴承比较，具有阻尼值高、抗振性能好、主轴回转精度高和 寿命长的特点，因此很适合作为高速电主轴轴承。瑞士i b a g 公司就推出了基于液 体静压轴承的电主轴；美国i n g c r s o l l 公司推出了基于液体动静压轴承的电主轴。滑 动轴承制造工艺较为简单，加上其优良的性能，很适合我国的国情，因此正在被 广泛推广应用。滑动轴承根据润滑剂的不同又分为气体润滑轴承和液体润滑轴承 两大类。液体润滑轴承油膜刚性和承载能力较大，但其严重的摩擦生热、润滑液 第1 章绪论 的泄漏及其导致的污染则极大地限制了轴承转速的提高及其应用范围的推广；另 一类滑动轴承为气体润滑轴承。 气体润滑技术是上世纪5 0 年代以来由于航天工业部门的迫切需要而发展起来 的一种新技术。运动部件之间通过具有一定压力的气膜隔开，气膜厚度的尺寸量 级一般是轴承尺寸量级的1 0 以 1 0 4 倍，运动面之间没有直接接触。与滚动轴承及 液体滑动轴承相比，由于气体的粘度低、匀化效应好等特点，因此气体轴承具有 速度高、精度高、振动和噪声小、摩擦功耗小、寿命长、耐高低温及辐射、洁净 无污染等突出优点。而气体的可压缩性导致轴承承载力低及刚度小的问题，近年 来已经得到部分解决，例如美国p r o f e s s i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y 生产的空气轴承主 轴，其径向刚度已达到 了 3 7 4 n p r o ，轴向刚度已达到了1 7 6 3 n p r o ，这足以满足精 密加工需求，因此静压气体轴承已经成为精密加工设备主轴、高速设备主轴、特 殊环境下使用主轴的主要支撑方式。 在以往国内外的气体轴承应用研究中，主要集中在气体轴承的结构设计方面，